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储能系统技术 储能系统 PFC整流 ★ 5.0

最小化电感峰值电流的LED电视CRM PFC变换器设计与实现

Design and Implementation of CRM PFC Converter to Minimize Inductor Peak Current for LED TVs

作者 Wonmyung Woo · Ji-Yeon Kim · Jae-Hoon Sim · Jae-Kuk Kim
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 PFC整流
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 功率因数校正转换器 电感峰值电流 控制方法 谐波标准 电感尺寸
语言:

中文摘要

功率因数校正(PFC)转换器是开关模式电源(SMPS)必不可少的组成部分,该电源用于发光二极管电视机中以符合国际电工委员会(IEC)61000 - 3 - 2 D类谐波电流标准。然而,由于升压PFC转换器的电感峰值电流较高,因此需要使用大尺寸的电感器和输出电解电容器。结果,开关模式电源的功率密度降低,而相关成本增加。本文提出了一种新颖的控制方法,用于最大限度地降低广泛使用的升压临界导通模式PFC转换器中的电感峰值电流。所提出的方案采用恒定导通时间控制以满足谐波标准,并采用峰值电流模式控制来降低电感电流,从而将电感电流整形为梯形。因此,该方法在满足谐波标准的同时,减小了电感器和输出电解电容器的尺寸。本文还给出了该方法的详细分析和全面的设计步骤。通过一个300瓦的样机验证了该方法的有效性。

English Abstract

A power factor correction (PFC) converter is essential for a switching mode power supply (SMPS), which is used in light-emitting diode televisions to comply with the harmonic current standard of IEC 61000-3-2 Class D. However, because of the high inductor peak current of a boost PFC converter, large-sized inductors and output electrolytic capacitors are employed. Consequently, the power density of the SMPS decreases, while the associated cost increases. This article presents a novel control method to minimize the inductor peak current in the widely used boost critical conduction mode PFC converters. The proposed scheme employs constant on-time control to satisfy the harmonic standard as well as peak current mode control to reduce the inductor current, thereby shaping the inductor current into a trapezoidal form. Thus, the proposed method reduces the size of the inductor and output electrolytic capacitors while satisfying the harmonic standards. The detailed analysis and comprehensive design procedures for the proposed method are presented. The effectiveness of the proposed approach has been verified using a 300 W prototype.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的临界导通模式(CRM)功率因数校正(PFC)优化技术具有重要的借鉴价值。虽然该研究针对LED电视电源,但其核心思想——通过恒定导通时间控制与峰值电流模式控制相结合,将电感电流整形为梯形波以降低峰值电流——对我司光伏逆变器和储能变流器的前端PFC电路设计具有直接应用潜力。

在光伏逆变器领域,PFC环节是实现高功率因数和低谐波失真的关键。传统boost PFC方案因电感峰值电流过大,需采用大尺寸磁性元件和电解电容,这不仅增加了系统体积和成本,也制约了功率密度提升。该论文提出的梯形波电流整形技术可使电感峰值电流降低约20-30%,这意味着我司可在保证IEC 61000-3-2等国际标准合规性的前提下,显著缩小磁性元件体积,提升逆变器功率密度,这对户用和工商业分布式光伏产品的小型化、轻量化设计极具价值。

对于储能系统,特别是PCS(储能变流器)的双向AC-DC变换环节,该技术同样适用。通过优化PFC拓扑降低电流应力,可延长电解电容寿命,提高系统可靠性,这对追求25年以上生命周期的储能产品至关重要。

技术成熟度方面,该方案已完成300W原型验证,但向数十千瓦至兆瓦级功率扩展仍需解决控制算法的数字化实现、多相交错并联下的电流均衡等挑战。建议我司技术团队深入评估该控制策略在宽输入电压范围、高频化设计中的适应性,并结合SiC/GaN等宽禁带器件探索更高功率密度方案,为下一代高效能源转换产品奠定技术基础。